Électricité et capteurs

Tous les matériaux sont constitués de minuscules particules appelées atomes. Les atomes sont constitués de particules encore plus petites appelées protons, neutrons et électrons. Les protons présents dans l’atome ont une charge positive et les électrons ont une charge négative. Ces charges s’équilibrent, donnant à l’atome une charge globale neutre.

Courants électriques

L’électricité peut se manifester par un flux d’électrons ou de charges. Le flux d’électrons ou de charges est connu sous le nom de courant électrique.

Un circuit électrique aura des électrons lâchement retenus tout au long de son parcours. Lorsque de l’énergie électrique est fournie dans le circuit, un champ électrique est créé, ce qui fait que ces électrons dans le circuit circulent tous en même temps comme l’eau qui coule dans un tuyau ou un boyau.

Circuits électriques

Les capteurs artificiels sont basés sur des circuits électriques. Les circuits électriques sont constitués de composants électriques spécifiques, d’une source d’énergie et de fils de connexion, et ils peuvent commuter ou modifier un courant électrique. Le flux de charges électriques dans un circuit est contrôlé par la conductivité électrique du matériau utilisé, les composants et la conception du circuit. Un circuit peut être conçu pour permettre à différentes quantités de charges électriques de circuler dans différentes parties du circuit, de sorte que les parties du circuit peuvent avoir des emplois différents mais en interaction.

L’électronique est l’utilisation de petits composants tels que les dispositifs semi-conducteurs dans les circuits électriques pour contrôler le flux de charges électriques ou exécuter une fonction. Cela se fait en augmentant ou en diminuant le courant ou en arrêtant complètement le flux. La plupart des appareils électriques utilisent l’électronique – d’un simple interrupteur qui allume une lumière lorsqu’il fait sombre, à un circuit complexe qui a de nombreuses tâches à accomplir, comme celui que l’on trouve à l’intérieur des machines à laver ou des robots.

Conductivité

Lorsque des charges électriques circulent dans quelque chose, on appelle cela la conduction électrique. La substance que les charges électriques traversent est appelée un conducteur.

Des matériaux différents ont des conductivités électriques différentes. Il s’agit d’une mesure de la facilité avec laquelle le courant électrique traverse le matériau. L’inverse de la conductivité est la résistivité, c’est-à-dire la difficulté pour une charge électrique de se déplacer à travers un matériau.

Certains matériaux, comme les métaux, ont des électrons peu serrés dans leur structure atomique, ce qui permet aux charges électriques de circuler facilement et sont donc très utiles comme fils reliant les différents composants d’un circuit. Le cuivre métallique est un exemple de bon conducteur et est souvent utilisé comme fils de connexion.

Les substances qui ne permettent pas la circulation des charges électriques sont appelées isolants. Par exemple, le caoutchouc, le plastique et l’air sont de mauvais conducteurs et sont donc utiles comme isolants pour bloquer le flux de charges électriques.

D’autres matériaux dont les propriétés conductrices se situent entre les bons conducteurs et les isolants, comme le silicium, sont appelés semi-conducteurs. Leur conductivité électrique peut être modifiée par le type d’atomes utilisés pour les doper avec des impuretés. Les composants semi-conducteurs tels que les diodes et les transistors peuvent modifier leur capacité à conduire les charges en fonction de certaines conditions, comme la tension. Cela rend les semi-conducteurs utiles comme capteurs et commutateurs qui répondent aux changements des conditions physiques.

Par exemple, un capteur de chaleur appelé thermistance change sa capacité à permettre le flux de charges électriques à travers lui en réponse à la température. En plaçant une thermistance dans un circuit électrique, le courant peut être activé ou désactivé dans une autre partie du circuit, par exemple en éteignant un chauffage si l’air devient trop chaud. Tout comme les capteurs de la peau humaine envoient des impulsions au cerveau où l’information est analysée et où nous ressentons du chaud ou du froid, dans les machines, l’électronique est utilisée pour analyser les conditions physiques détectées par le biais de changements dans le courant électrique.

Comment fonctionnent les capteurs ?

Les capteurs réagissent aux changements de conditions physiques en modifiant leurs propriétés électriques. Ainsi, la plupart des capteurs artificiels s’appuient sur des systèmes électroniques pour capter, analyser et relayer les informations sur l’environnement. Ces systèmes électroniques reposent sur les mêmes principes que les circuits électriques pour fonctionner, de sorte que la capacité à contrôler le flux d’énergie électrique est très importante.

Plus simplement, un capteur convertit des stimuli tels que la chaleur, la lumière, le son et le mouvement en signaux électriques. Ces signaux passent par une interface qui les convertit en un code binaire et le transmet à un ordinateur pour qu’il le traite.

De nombreux capteurs agissent comme un commutateur, contrôlant le flux de charges électriques dans le circuit. Les commutateurs sont une partie importante de l’électronique car ils changent l’état du circuit. Les composants des capteurs tels que les circuits intégrés (puces), les transistors et les diodes contiennent tous des matériaux semi-conducteurs et sont inclus dans les circuits des capteurs afin qu’ils agissent comme des commutateurs. Par exemple, un transistor fonctionne en utilisant un petit courant électrique dans une partie du circuit pour activer un grand courant électrique dans une autre partie du circuit.

Capteurs actifs et passifs

La plupart des capteurs utilisent des rayonnements tels que la lumière ou le laser, les ondes infrarouges ou d’autres ondes telles que les ondes ultrasoniques pour détecter des objets et des changements dans leur environnement. Pour ce faire, ils disposent en leur sein d’une source d’énergie qui leur permet d’émettre le rayonnement vers leur objet cible. Ce rayonnement est réfléchi par l’objet et détecté par le capteur – on parle alors de capteur actif, par exemple dans l’utilisation du radar.

Les capteurs passifs n’émettent pas leur propre rayonnement ou ondes – ils détectent le rayonnement qui est émis par leurs objets cibles, comme la chaleur ou le rayonnement infrarouge thermique, ou ils détectent le rayonnement d’une certaine source externe, comme le Soleil, qui est réfléchi par les objets. Un exemple est une thermistance pour mesurer électroniquement la température.

L’intérêt d’utiliser des capteurs est qu’ils sont non intrusifs et capables de détecter à distance. Des capteurs actifs et passifs peuvent être montés sur des satellites en orbite autour de la Terre pour capter des informations sur notre environnement. Les rayonnements ou les ondes ou autres phénomènes physiques détectés par les capteurs sont convertis en signaux électriques et traités par des ordinateurs.

MARVIN le robot est équipé de capteurs actifs tels que des capteurs infrarouges, des capteurs à ultrasons et des capteurs laser. Le capteur compteur qui détermine la distance parcourue par MARVIN est un capteur passif.

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